La qualité alimentaire

Introduction

Cet article a pour but de présenter les caractéristiques importantes concernant la famille des matériaux dits alimentaires dédiés à l'impression 3D. Il y sera comparé différents matériaux provenant de différents fabricants selon des propriétés jugées prédominantes et essentielles à savoir. Tout ceci ayant pour objectif de vous aider à découvrir de nouveaux matériaux et de nouvelles possibilités auxquelles vous n'auriez peut-être pas pensé ! Nous souhaitons vous orienter au mieux dans vos choix matériaux, en correspondance avec vos projets !

Tous les matériaux polymères dédiés à l'impression 3D par dépôt de matière fondue (FDM) possèdent des caractéristiques propres. Cependant, il faut faire un tri et déterminer les propriétés principales que l'on va retrouver dans chacun de ces matériaux. Celle qui définiront le plus leurs comportements et qui établiront des critères de décision primordiaux quant à la sélection du matériau. 

Voici ces caractéristiques techniques retenues :

• La résistance aux chocs en kJ/m², qui définit la robustesse d'un matériau, sa qualité à absorber les chocs. Plus cette valeur est élevée, mieux sera la tenue du matériau face aux impacts.

• L'allongement à la rupture en %, qui définit l'élongation maximum que peut avoir un matériau avant de rompre, de se séparer en deux. Plus cette valeur est élevée, mieux sera la capacité de pliage et d'étirage du matériau.

• Le module d'Young en MPa, qui définit la raideur d'un matériau, sa tenue dimensionnelle et temporelle. Plus cette valeur est élevée, plus faible sera la déformation du matériaux.

• Le module de flexion en MPa, qui définit la rigidité du matériau. Plus cette valeur est élevée, plus la rigidité du matériau sera élevée.

• La dureté, mesurée selon une échelle qui varie en fonction du matériau. Cette donnée définit la résistance qu'oppose une surface à une pénétration.

Ensuite, selon la famille de matériaux, d'autres caractéristiques essentielles et propres au domaine concerné seront exposées et confrontées.

Quels tests sont effectués ?

Il existe de nombreux tests expérimentaux afin de chiffrer les caractéristiques techniques des matériaux. Ces derniers varient selon les normes nationales ou selon l'utilisation futur du produit.

Pour la résistance aux chocs des polymères, on réalise l'essai de flexion par choc sur éprouvette entaillée Charpy, aussi utilisé pour d'autres matériaux comme les métaux. Cet essai est destiné à mesurer l'énergie nécessaire pour rompre en une seule fois une éprouvette préalablement entaillée en V. On utilise un mouton-pendule muni à son extrémité d'un couteau qui permet de développer une énergie donnée au moment du choc. L'énergie absorbée est calculée en comparant la différence d'énergie potentielle entre le départ du pendule et la fin de l'essai. 

Schéma explicatif du fonctionnement du mouton-pendule

L'allongement à la rupture est déterminée selon la norme ISO 527 ou l'ASTM D 638, qui régit les essais de traction sur les matériaux polymères. Les méthodes sont utilisées pour étudier le comportement en traction des éprouvettes par la détermination de la résistance en traction, du module d'élasticité en traction et d'autres aspects de la relation contrainte/déformation en traction dans des conditions définies. On utilise une machine de traction qui va étirer une éprouvette normée selon des critères de vitesse et de température définis. Le résultat sera sous forme de courbe.

Exemples de machines de traction

Le module d'Young ou module de traction, est déterminé avec la même méthode que pour l'allongement à rupture. Les mêmes normes et les mêmes machines sont utilisées. Il s'agit de la constante qui relie la contrainte de traction et le début de la déformation d'un matériau élastique isotrope. On peut calculer le module d'Young grâce à la loi de Hooke.

Le module de flexion est calculé en effectuant des tests de flexion 3 points sur des éprouvettes que l'on peut assimiler à des poutres. On utilise donc une machine de flexion 3 points qui peut être modifiée si nécessaire en 4 points afin de réaliser un essai mécanique de flexion, qui donnera une courbe de contrainte-déformation. Cette méthode permet de déterminer d'autres facteurs tels que le cisaillement, la limite élastique et la contrainte maximum en flexion.

Exemple de machine de flexion 3 points et schéma de l'essai

La dureté est une propriété dont la méthode de détermination varie selon le matériau étudié, elle porte ainsi plusieurs appellation, en fonction du procédé utilisé. Pour les métaux on parlera de dureté Vickers ou Rockwell aux Etats-Unis, pour les bois la dureté Janka, la dureté Barcol pour les composites, etc. Chaque méthode diffère selon le matériau, mais il s'agit toujours d'un essai de pénétration ou de rebondissement sur la surface du matériau. Pour la dureté Shore, celle des polymères, on utilise un duromètre portable.

Schéma explicatif de l'essai de dureté Shore d'un duromètre

A savoir

• En impression 3D, il n'y a pas de bons ou de mauvais matériaux. Chacun est adapté à une utilisation spécifique, les caractéristiques diffèrent afin d'être en accord avec une certaine application.

• Certaines propriétés sont difficilement quantifiables et comparables ainsi elles ne seront pas présentées sous forme de tableaux de comparaison.

Les Alimentaires

Pour qu'un produit soit certifié "Alimentaire", il faut que l'ensemble du matériel des ustensiles, des contenants ou des autres surfaces de la pièce qui entrent en contact avec des aliments soient fabriqués avec un matériau de qualité alimentaire non toxique qui n’entraînera pas leur contamination et qui n'y contribuera pas. 

Un certain nombre de facteurs doivent être examinés lorsqu'il faut déterminer quel matériau de qualité alimentaire convient le mieux. Ainsi, si le plastique de qualité alimentaire convient pour la fabrication des petits contenants du point de vue de la salubrité et de la qualité des aliments, il ne s'agit pas d'un matériau approprié pour fabriquer le matériel ou les ustensiles qui seront utilisés dans un environnement à température élevée.

Certains types de matériaux font, par ailleurs, l'objet d'une réglementation spécifique. Ainsi, parmi les trois types de matériaux qui font l'objet d'une réglementation harmonisée à l'échelle européenne, il y a les polymères. Ils sont régis par le Règlement (UE) n°10/2011 du 14 janvier 2011. Il est possible que d'autres matériaux possèdent la qualité Food contact, par exemple les céramiques, les métaux, les bio-sourcés, etc. Cependant les plus courant sont les PETG ou les Nylons car ils sont aussi imperméables. Si vous êtes intéressés par cette catégorie et que vous souhaitez en savoir plus, nous vous invitons à aller regarder l'article "Imperméables".

Ensuite il existe plusieurs sous-normes spécifiques à respecter selon la future utilisation du produit (emballages, contenant, simple contact,...). Par exemple le filament PC-S de Kimya (France) est certifié Food contact selon la réglementation FDA 21-CFR 174.5.

Tous les filaments liés à cet article sont certifiés Food Contact.

Quelles caractéristiques garder ?

Les caractéristiques de comparaison choisies pour les matériaux alimentaires sont :

• La résistance aux chocs en kJ/m²

• Le module d'Young en MPa

• Le module de flexion en MPa

Certaines propriétés n'ont pas été mises en comparaison :

• Le contact alimentaire : cette valeur n'est pas référencée par les fabricants, ainsi on ne peut pas la comparer. On ne peut pas dire si tel ou tel matériau a un meilleur contact alimentaire qu'un autre car tout dépend de l'utilisation future de celui-ci. Il faut s'intéresser aux normes que chacun remplit.

• L'absorption d'eau/d'humidité en % : manque de données de la part des fabricants. Néanmoins dans la globalité l'absorption d'eau/d'humidité est sensiblement la même pour tous les matériaux destinés à une utilisation alimentaire. Elle se trouve être extrêmement faible, voire nulle, on parle alors de matériaux imperméables.

Procédé de comparaison

Le procédé de comparaison des matériaux de la famille des Alimentaires s'est déroulé ainsi :

1. Sélection des matériaux décrits comme étant alimentaires et présentant des caractéristiques semblables en termes de physiques, mécaniques et thermiques en impression 3D. Ce groupement concerne donc principalement les matériaux dont les applications nécessiteront la propriété particulière Food contact.

2. Retranscription des données de chacun des matériaux (valeurs renseignées par le fabricant).

3. Présentation sous forme de diagrammes bâton, facilitant la comparaison des éléments.

A savoir

• Certaines données ne sont pas renseignées par les fabricants. Ces tableaux comparatifs forment une généralité sur chaque polymère. L'objectif est d'avoir une idée globale des capacités du matériau afin de pouvoir orienter au mieux votre choix.
  

Tableaux comparatifs

Tableau comparatif des résistances aux chocs des matériaux alimentaires

A noter que le PLACTIVE et le MDFlex de Copper3D n'apparaissent pas dans ce tableau par manque de données du fabricant.

Le filament PPSU-S de Kimya (France) possède une résistance aux chocs de 399kJ/m², il a simplement été retiré du tableau pour une meilleure lisibilité.

Tableau comparatif des modules d'Young et de flexion des matériaux alimentaires

Nous espérons que vous avez apprécié cet article et qu'il vous a permis d'orienter vos choix vers la bonne solution pour réaliser votre projet. Si vous désirez obtenir plus d'informations sur les filaments d'impression 3D, toute notre équipe est à votre écoute. N'hésitez pas à nous contacter !

Vous retrouverez ci-dessous tous les produits associés à la famille des matériaux Alimentaires.